单例模式

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stormjie 8月 13, 2018
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一、单例模式动机

对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要, 如在Windows中就只能打开一个任务管理器。如果不使用机制对窗口对象进行唯一化,将弹出多个窗口,如果这些窗口显示的内容完全一致,则是重复对象,浪费内存资源;如果这些窗口显示的内容不一致,则意味着在某一瞬间系统有多个状态,与实际不符,也会给用户带来误解,不知道哪一个才是真实的状态。因此有时确保系统中某个对象的唯一性即一个类只能有一个实例非常重要。

如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢?定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问,但不能防止我们实例化多个对象。一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建,并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

二、单例模式概述

让我们来用单例模式的思想模拟实现任务管理器,下面是具体代码

public class TaskManager {

    //TaskManager提供的唯一实例
    private static TaskManager tm = null;

    //私有构造方法使外部类无法使用new关键字创建TaskManager实例
    private TaskManager() {
        ...
    }

    //该方法用于给外部类返回TaskManager唯一实例
    public static TaskManager getInstance() {
        if(tm == null) {
            tm = new TaskManager();
        }
        return tm;
    } 

    //任务管理器功能方法
    public void display() {
        ...
    }
} 

为什么getInstance()方法要定义为静态方法?因为外部类需要调用getInstance()方法得到唯一TaskManager实例,而调用非成员方法只有两种方式,通过对象调用或者类调用,对象调用肯定不行(我们调用getInstance()方法目的就是要得到对象,就是缺对象),所以只能通过TaskManager类调用,而类只能调用静态成员方法,所以必须将getInstance()定义为静态。

上述代码是单例模式的一种典型实现方式,理解之后我们再来看看单例模式的定义:确保一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个类实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。

单例模式有三个要点:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。

三、饿汉式单例与懒汉式单例

1.饿汉式单例类

饿汉式单例类是实现起来最简单的单例类,在定义静态变量的时候马上实例化,因此类加载时候就已经创建单例对象,代码如下:

public class EagerSingleton {

    //唯一实例
    private static EagerSingleton instance = new EagerSingleton();

    //私有构造方法
    private EagerSingleton(){}

    //静态工厂方法
    public static EagerSingleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

在这个类被加载时,静态变量instance会被初始化,此时类的私有构造方法会被调用。这时候,单例类的唯一实例就被创建出来了。

饿汉式是典型的空间换时间,当类装载的时候就会创建类实例,不管你用不用,先创建出来,然后每次调用的时候,就不需要再判断了,节省了运行时间。

2.懒汉式单例类

懒汉式其实是一种比较形象的称谓。既然懒,那么在创建对象实例的时候就不着急。会一直等到马上要使用对象实例的时候才会创建,懒人嘛,总是推脱不开的时候才会真正去执行工作,因此在装载对象的时候不创建对象实例。

public class LazySingleton {

    //唯一实例
    private static LazySingleton instance = null;

    //私有构造方法 
    private LazySingleton(){}

    // 静态工厂方法
    public static synchronized LazySingleton getInstance() {
        if(instance == null){
            instance = new LazySingleton();
        }
        return instance;
    }
}

上面的懒汉式单例类实现里对静态工厂方法使用了同步化,以处理多线程环境。 由于懒汉式的实现是线程安全的,这样会降低整个访问的速度,而且每次都要判断。所以对比饿汉式,懒汉式是时间换空间,那么有没有更好的方式实现呢?

3.双重检查加锁

可以使用“双重检查加锁”的方式来实现,就可以既实现线程安全,又能够使性能不受很大的影响。那么什么是“双重检查加锁”机制呢?

所谓“双重检查加锁”机制,指的是:并不是每次进入getInstance()方法都需要同步,而是先不同步,进入方法后,先检查实例是否存在,如果不存在才进行下面的同步块,这是第一重检查,进入同步块过后,再次检查实例是否存在,如果不存在,就在同步的情况下创建一个实例,这是第二重检查。这样一来,就只需要同步一次了,从而减少了多次在同步情况下进行判断所浪费的时间。

“双重检查加锁”机制的实现会使用关键字volatile,它的意思是:被volatile修饰的变量的值,将不会被本地线程缓存,所有对该变量的读写都是直接操作共享内存,从而确保多个线程能正确的处理该变量。

public class Singleton {

    //唯一实例
    private volatile static Singleton instance = null;

    //私有构造方法
    private Singleton(){}

    // 静态工厂方法
    public static Singleton getInstance(){
        //先检查实例是否存在,如果不存在才进入下面的同步块
        if(instance == null){
            //同步块,线程安全的创建实例
            synchronized (Singleton.class) {
                //再次检查实例是否存在,如果不存在才真正的创建实例
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

这种实现方式既可以实现线程安全地创建实例,而又不会对性能造成太大的影响。它只是第一次创建实例的时候同步,以后就不需要同步了,从而加快了运行速度。

提示:由于volatile关键字可能会屏蔽掉虚拟机中一些必要的代码优化,所以运行效率并不是很高。因此一般建议,没有特别的需要,不要使用。也就是说,虽然可以使用“双重检查加锁”机制来实现线程安全的单例,但并不建议大量采用,可以根据情况来选用。

4.饿汉式单例类与懒汉式单例类的比较

饿汉式单例类:无须考虑多个线程同时访问的问题;调用速度和反应时间优于懒汉式单例;资源利用效率不及懒汉式单例;系统加载时间可能会比较长(考虑简单,性能略低)。

懒汉式单例类:实现了延迟加载;必须处理好多个线程同时访问的问题;需通过双重检查锁定等机制进行控制,将导致系统性能受到一定影响(考虑复杂,资源利用效率高)。

三、更好的实现方式

根据上面的分析,常见的两种单例实现方式都存在小小的缺陷,那么有没有一种方案,既能实现延迟加载,又能实现线程安全呢?

1.Lazy initialization holder class模式

大家都知道,在多线程开发中,为了解决并发问题,主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中,JVM已经隐含地为您执行了同步,这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括:

(1)由静态初始化器(在静态字段上或static{}块中的初始化器)初始化数据时

(2)访问final字段时

(3)在创建线程之前创建对象时

(4)线程可以看见它将要处理的对象时

要想很简单地实现线程安全,可以采用静态初始化器的方式,它可以由JVM来保证线程的安全性。比如前面的饿汉式实现方式。但是这样一来,不是会浪费一定的空间吗?因为这种实现方式,会在类装载的时候就初始化对象,不管你需不需要。

如果现在有一种方法能够让类装载的时候不去初始化对象,那不就解决问题了?一种可行的方式就是采用类级内部类,在这个类级内部类里面去创建对象实例。这样一来,只要不使用到这个类级内部类,那就不会创建对象实例,从而同时实现延迟加载和线程安全。示例代码如下:

public class Singleton {

    private Singleton(){}
    /**
     *    类级的内部类,也就是静态的成员式内部类,该内部类的实例与外部类的实例
     *    没有绑定关系,而且只有被调用到时才会装载,从而实现了延迟加载。
     */
    private static class SingletonHolder{

        // 静态初始化器,由JVM来保证线程安全
        private static Singleton instance = new Singleton();
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.instance;
    }
}

当getInstance()方法第一次被调用的时候,它第一次读取SingletonHolder.instance,导致SingletonHolder类得到初始化;而这个类在装载并被初始化的时候,会初始化它的静态域,从而创建Singleton的实例,由于是静态的域,因此只会在虚拟机装载类的时候初始化一次,并由虚拟机来保证它的线程安全性。

这个模式的优势在于,getInstance()方法并没有被同步,并且只是执行一个域的访问,因此延迟初始化并没有增加任何访问成本。

2.单元素枚举单例

单例的枚举实现在《Effective Java》中有提到,因为其功能完整、使用简洁、无偿地提供了序列化机制、在面对复杂的序列化或者反射攻击时仍然可以绝对防止多次实例化等优点,单元素的枚举类型被作者认为是实现单例模式的最佳方法。

用枚举来实现单例非常简单,只需要编写一个包含单个元素的枚举类型即可。

public enum Singleton {

    // 定义一个枚举的元素,它就代表了Singleton的一个实例
    uniqueInstance;

    // 单例可以有自己的操作
    public void singletonOperation(){
        //功能处理
    }
}

使用枚举来实现单实例控制会更加简洁,而且无偿地提供了序列化机制,并由JVM从根本上提供保障,绝对防止多次实例化,是更简洁、高效、安全的实现单例的方式。